DOE方法在减压阀调压稳定性优化中的应用

摘要：在减压阀的设计中，需要平衡很多零部件的设计来达到综合性能最优，在碰到具体的单一指标需要提高时，CAE等技术就不能起到很好的优化作用。现将实验设计（DOE）技术作为常规研发工具、研发技术的辅助应用，帮助优化减压阀调压稳定性，实现综合性能最优化。

关键词：实验设计（DOE）;调压稳定性;减压阀

0    引言

减压阀是工业自动化系统的重要组成部分，也是化工行业、发电站、长输管线、造船工业、核电工业、各种低温工程、宇航以及深海采油等国民经济各部门不可缺少的流体控制设备[1]。

减压阀主要具有工艺管道介质如物料、水、蒸汽、空气和油品等相关流体介质的节流、调压等功能。减压阀主要用于控制后端压力或流量，确保压力、流量满足下游需求，随着应用的要求越来越精密，对产品设计精度的要求也在提高，需要运用定量分析等更精确的工具去优化产品的设计。

1    需要解决的问题

减压阀从产品类型上主要分为直接作用式减压阀（图1）和先导式减压阀（图2）。本案例TG系列减压阀是一款紧凑、轻便的高纯度单级直接作用减压阀，适用于小于10 SCFM/283 SLPM的特种气和工业气体流量控制，主要应用在实验室等精确控制领域，需要具有灵敏的调压能力、较长的使用寿命，良好的保证气体纯度和完整性的密封能力;此外，友好的用户交互及选型设计使其可以使用于更广泛的应用场景。

减压阀产品由阀体、阀口、弹簧箱、调节螺母、弹簧、膜片等元件组成，当下游压力下降时，橡胶膜片感应到下游压力变化，在主压缩弹簧的作用下将压力变化转化成位移信号，阀芯组件向下运动，打开阀口，上游气体通过阀口补给到下游设备，维持设备的正常运转。当下游需求降低，阀后压力升高至减压阀弹簧预先设定的压力时，作用在膜片下方的压力克服主弹簧阻力，带动阀芯组件向上运动，阀塞在阀芯弹簧的作用下也向上运动，关闭阀口，切断管路，停止补给。

对于减压阀的性能好坏，除了关注压力特性和流量特性等主要性能之外，通常我们还特别关注其动态特性以及稳定性，如当阀门在开启状态小流量时的波动，压力振幅大小、稳定时间，去程和回程之间的迟滞大小以及相应时间的长短等[2]。

在研发TG系列减压阀过程中，其压力特性和流量特性在实验室测试中均有良好的表现，但其存在的线性调压不稳定的问题一直困扰着研发人员。具体表现为：产品从0开始做调压测试，要求可以线性调压，但是到138 kPa（20 psi）的时候，产品突然会有0～14 kPa（0～2 psi）的压力跃升，不能达到线性调压的要求[线性调压要求压力跃升不能超过3.4 kPa（0.5 psi）]。

按照西安航天动力研究所的尤裕荣和曾维亮针对逆向卸荷式气体减压阀建立状态空间模型的研究，得出了影响减压阀稳定性的主要因素有阻尼和低压腔体积。同时提出了改善减压阀稳定性的措施，如减小阻尼孔面积或增设阻尼腔;增加运动部件的黏性摩擦阻尼;或者增大低压腔体积，使气流在低压容腔内的缓冲作用加大，增大减压阀抗外界干扰的能力。考虑到线性调压不稳定的问题只出现在138 kPa（20 psi）区间，对阀座角度、节流孔圆角、连接头角度做如图3所示参数优化。

2    实验设计

实验设计（DOE）是一种安排实验和分析实验数据的数理统计方法，其主要对实验进行合理安排，以较小的实验规模（实验次数）、较短的实验周期以及较低的实验成本获得理想的实验结果和正确的结论[3]。

DOE试验步骤主要分为计划阶段、实施实验、分析数据和结果总结四步，如图4所示。

根据此流程图，设定实验目标为：调压器调到138 kPa（20 psi）的时候，压力跃升不能超过3.4 kPa（0.5 psi）。对识别出的影响因子阀座角度、节流孔圆角、连接头角度进行设定，完成影响因子水平表（表1）。

运用Minitab进行正交实验设计，选择三因子两水平全因子实验设计模式，得到正交实验设计表，总共11次实验，包含了三次中心点实验。按照实验安排，进行实验室实验（图5），记录数值填入表2。最后运用Minitab软件对数据进行分析，考虑单因子及其二阶交互作用的影响，建立拟合模型，优化设计参数。

用DOE软件对表2的正交实验表进行分析，选定拟合模型如表3所示。阀座角度与节流孔角度的P值均小于0.05，说明这两个因子对响应具有显著影响。结合因子效应的正态图（图6）和因子效应的Pareto图（图7），可以确定对减压阀调压不稳定问题的关键影响因素为阀座角度和节流孔圆角。

然后，对模型进行优化。运用主效应图（图8）对因子的水平进行确定。试验期望得到的结果是望小值，压差越小越好。在优化过程中，只对主效应因子进行分析，从主效应图中可以得出阀座角度取60°，节流孔取0.6时，响应可以最小。另外，主效应因子的交互响应图（图9）中无相交线，两个因子没有交互影响。

根据此分析，可以设定三因素的水平分别如下：阀座角度60°，节流孔圆角0.6，连接头角度无显著影响，可以按照一般尺寸设定为45°。

采用改進之后确认的参数进行加工、测试。经过5组、每组10次的测试，138 kPa（20 psi）下压差值都在3.4 kPa（0.5 psi）之内，达到了优化的目的。

3    结语

DOE在减压阀设计中的应用是非常灵活方便的，在实际应用中，其能解决设计中的参数设定问题，并达到产品期望的性能目标，为提高减压阀的控制精度做出贡献，对以后的产品设计提供指导性建议。

[参考文献]

[1] 张勤.氮封减压阀稳定性分析及优化设计[D].上海：上海交通大学，2015.

[2] 尤裕荣，曾维亮.气体减压阀的稳定性分析[J].火箭推进，2009，35（5）：34-38.

[3] 马逢时，周暐，刘传冰.六西格玛管理统计指南——MINITAB使用指导[M].2版.北京：中国人民大学出版社，2013.

收稿日期：2020-05-18

作者简介：蒋宏业（1983—），男，内蒙古包头人，工程师，主要从事运营管理、项目管理工作。